Hoge-vermogen GaN RF-apparaten worden geconfronteerd met een fundamentele beperking die niet alleen met elektrisch ontwerp kan worden opgelost: warmte.

Galliumnitride high-electron-mobility transistors, of GaN HEMTs, kunnen werken bij hoge spanning, hoge frequentie en hoge vermogensdichtheid. Deze voordelen maken ze belangrijk voor toepassingen zoals radar, satellietcommunicatie, elektronische oorlogsvoering, 5G/6G-infrastructuur en hoogvermogen microgolfsystemen.

Naarmate de RF-vermogensdichtheid echter toeneemt, wordt de warmte die dicht bij het transistor kanaal wordt gegenereerd steeds moeilijker te verwijderen.

Zelfs wanneer het GaN-materiaal zelf sterke elektrische prestaties behoudt, kan een overmatige junctietemperatuur het uitgangsvermogen verminderen, de efficiëntie degraderen en de levensduur van het apparaat verkorten.

Daarom heeft diamant steeds meer aandacht gekregen als thermisch platform voor GaN.

Met een thermische geleidbaarheid die 2.000 W/m·K overschrijdt voor hoogwaardige diamantmaterialen, biedt diamant een aanzienlijk sterkere warmteverspreidingscapaciteit dan conventionele halfgeleider substraten. Recent onderzoek blijft diamantintegratie identificeren als een van de meest veelbelovende benaderingen voor koeling nabij de junctie van hoogvermogen GaN HEMTs.

Maar simpelweg GaN op diamant plaatsen creëert niet automatisch een ideale thermische oplossing.

De werkelijke prestaties zijn sterk afhankelijk van:

• GaN–diamant thermische grensweerstand
• Bondinglaagmateriaal
• Dikte van de bondinglaag
• Diamant dikte
• Kwaliteit van de diamant
• Ruwheid van het oppervlak
• GaN dikte
• Apparaatgeometrie
• Ontwerp van verpakking en koellichaam

Voor ingenieurs die GaN-on-Diamond wafers selecteren, is het oppervlak soms net zo belangrijk als de diamant zelf.

Waarom hoogvermogen GaN RF-apparaten beter thermisch beheer nodig hebben

Een GaN HEMT genereert veel van zijn warmte in een zeer klein gebied dicht bij de gate aan de drain-zijde.

Dit creëert een extreem hoge lokale warmteflux.

Het probleem verschilt daarom van het simpelweg koelen van een hele printplaat.

Warmte moet eerst weg van het actieve GaN-kanaal, door de halfgeleiderstructuur en interface lagen, en vervolgens verspreiden in het substraat en de verpakking.

Een vereenvoudigd thermisch pad kan worden weergegeven als:

GaN HEMT kanaal
↓
GaN epitaxiale laag
↓
GaN/Diamant interface
↓
Diamant warmteverspreidingslaag
↓
Verpakking
↓
Koellichaam

Elke laag voegt thermische weerstand toe.

Als een laag slechte thermische geleidbaarheid of een hoge interface weerstand heeft, kan het voordeel van het diamant substraat aanzienlijk worden verminderd.

Daarom richten onderzoekers zich steeds meer op thermisch beheer nabij de junctie in plaats van alleen het verbeteren van het externe koellichaam.

DARPA's eerdere Near Junction Thermal Transport programma richtte zich specifiek op het gebied binnen ongeveer 100 µm van hoogvermogen elektronische juncties, inclusief het gebruik van diamant substraten en de verwijdering van overgangslagen met lage thermische geleidbaarheid. Het huidige THREADS programma blijft thermische barrières aanpakken die de RF-vermogensoutput beperken.

Wat is een GaN-on-Diamond wafer?

Een GaN-on-Diamond wafer is een heterogene halfgeleiderstructuur waarin een GaN-apparaat of epitaxiale laag thermisch is geïntegreerd met diamant.

De structuur kan verschillende vormen aannemen.

Een vereenvoudigde gebonden structuur kan zijn:

GaN apparaatlaag
↓
Ultr dunne bonding/tussenlaag
↓
Diamant substraat

Een andere benadering kan gebruiken:

AlGaN/GaN HEMT structuur
↓
GaN buffer
↓
Nucleatie/interface laag
↓
CVD diamant

Diamant kan ook vanaf de bovenkant van een voltooid of gedeeltelijk gefabriceerd GaN-apparaat worden toegevoegd om een warmteverspreider nabij het kanaal te creëren.

Deze verschillende structuren mogen niet als identiek worden behandeld.

Hun thermische prestaties zijn sterk afhankelijk van de locatie van de diamant ten opzichte van het warmtegenererende kanaal.

Waarom diamant aantrekkelijk is voor RF GaN

Hoogwaardige diamant biedt verschillende aantrekkelijke kenmerken voor thermisch beheer:

• Extreem hoge thermische geleidbaarheid
• Hoge elektrische weerstand
• Hoge doorslagsterkte
• Uitstekende mechanische hardheid
• Goede chemische stabiliteit
• Sterke warmteverspreidingscapaciteit

Voor hoogvermogen RF-apparaten is thermische geleidbaarheid de belangrijkste attractie.

Ter vergelijking bieden veelgebruikte substraten een aanzienlijk lagere bulk thermische geleidbaarheid.

Echter, de thermische geleidbaarheid van bulk materiaal is slechts een deel van het verhaal.

Een GaN HEMT ervaart niet direct de theoretische bulk thermische geleidbaarheid van diamant.

Warmte moet eerst de GaN–diamant interface passeren.

Dat maakt thermische grensweerstand een van de belangrijkste specificaties van GaN-on-Diamond technologie.

Wat is thermische grensweerstand?

Thermische grensweerstand, algemeen afgekort als TBR, beschrijft de weerstand tegen warmtestroom over de interface tussen twee verschillende materialen.

Voor GaN-on-Diamond kan het conceptueel worden geschreven als:

GaN
→ interface
→ Diamant

Zelfs als beide materialen warmte effectief geleiden, kunnen fononen die thermische energie dragen mogelijk niet efficiënt over de interface worden overgedragen.

Dit gebeurt omdat GaN en diamant zeer verschillende hebben:

• Kristalstructuren
• Fonon spectra
• Bonding kenmerken
• Akoestische eigenschappen

Extra bonding lagen kunnen de complexiteit verder vergroten.

TBR wordt algemeen uitgedrukt in:

m²·K/GW

Een lagere waarde geeft over het algemeen een efficiëntere warmteoverdracht via de interface aan.

Waarom TBR zo belangrijk is

Beschouw twee GaN-on-Diamond structuren die exact hetzelfde diamant substraat gebruiken.

Structuur A heeft een dunne, goed gecontroleerde interface.

Structuur B bevat een dikkere amorfe bondinglaag met slechte thermische geleidbaarheid.

Hoewel de diamant identiek is, kan Structuur A de warmte uit het GaN-kanaal aanzienlijk efficiënter verwijderen.

Daarom kan het misleidend zijn om alleen te specificeren:

“Diamant thermische geleidbaarheid >2000 W/m·K.”

Voor thermisch ontwerp op apparaatniveau moeten kopers ook overwegen:

• Interface materiaal
• Interface dikte
• TBR of TBC
• Bonding holtes
• Oppervlakte ruwheid

Hoe laag kan de TBR van GaN-on-Diamond worden?

Dit blijft een actief onderzoeksgebied.

Een studie uit 2026 rapporteerde GaN-on-Diamond structuren geproduceerd met behulp van een in-situ oppervlaktereconstructie proces in combinatie met oppervlakte-geactiveerde bonding.

De onderzoekers verminderden de diamant RMS oppervlakte ruwheid tot onder 0,5 nm en gebruikten een ongeveer 8 nm silicium tussenlaag.

De resulterende structuur bereikte een gerapporteerde TBR van ongeveer 7,7 ± 0,6 m²·K/GW.

Dit is significant omdat het aantoont dat interface engineering de thermische prestaties van GaN-on-Diamond structuren dramatisch kan beïnvloeden.

Het illustreert ook een belangrijk principe:

Een hoogwaardige GaN-on-Diamond wafer vereist zowel een goed diamant substraat als een goede GaN–diamant interface.

Bonding methoden voor GaN-on-Diamond

Er zijn verschillende benaderingen om GaN met diamant te integreren.

Elk heeft voordelen en technische uitdagingen.

1. Oppervlakte-geactiveerde bonding

Oppervlakte-geactiveerde bonding, of SAB, kan twee materialen bij of nabij kamertemperatuur verbinden na oppervlakte-activatie.

Een dunne tussenlaag kan worden gebruikt.

Voordelen kunnen zijn:

• Lage bonding temperatuur
• Verminderde thermische spanning
• Compatibiliteit met heterogene materialen
• Dunne bonding interfaces
• Potentieel lage TBR

Kamertemperatuur bonding is bijzonder aantrekkelijk omdat GaN en diamant verschillend thermisch uitzettingsgedrag hebben.

Hoge-temperatuur bonding kan extra spanning introduceren tijdens het afkoelen.

Recent werk met aangepaste SAB heeft ook AlN en silicium tussenlagen onderzocht voor N-polaire GaN/Diamant structuren.

Een studie uit 2026 rapporteerde ongeveer 31 m²·K/GW TBR met een AlN-bevattende interface en gemeten RF-verlies van ongeveer 0,32 dB/mm bij 40 GHz, wat aantoont dat de bonding interface zowel thermische als RF-eigenschappen beïnvloedt.

2. Directe bonding

Directe bonding probeert conventionele kleeflagen te minimaliseren of te elimineren.

Het belangrijkste doel is om het thermische pad tussen GaN en diamant te verkorten.

Potentiële voordelen zijn:

• Verminderde interface dikte
• Lagere thermische weerstand
• Geen dikke organische lijm
• Betere stabiliteit bij hoge temperaturen

Echter, directe bonding vereist normaal gesproken extreem goede oppervlaktevoorbereiding.

Belangrijke parameters zijn:

• Oppervlakte ruwheid
• Vlakheid
• Reinheid
• Deeltjescontrole
• Oppervlaktechemie

Zelfs kleine holtes kunnen zowel de bindingssterkte als de thermische prestaties verminderen.

3. Van der Waals bonding

Directe van der Waals bonding is ook onderzocht voor GaN/Diamant integratie.

Een voordeel is het vermijden van een dikke tussenlaag met lage thermische geleidbaarheid.

Het bereiken van een betrouwbaar contact over een groot oppervlak blijft echter moeilijk omdat de waferoppervlakken uitzonderlijk glad en schoon moeten zijn.

Onderzoek dat directe en met tussenlaag ondersteunde GaN/Diamant integratie vergelijkt, toont aan waarom de totale interface weerstand—niet simpelweg de aanwezigheid van een bondinglaag—geëvalueerd moet worden.

4. Diamantgroei op GaN

Een andere strategie is het verwijderen van het oorspronkelijke substraat en het laten groeien van diamant relatief dicht bij de GaN-apparaatlaag.

Een vereenvoudigde flow kan omvatten:

GaN epitaxiale groei
↓
Tijdelijke drager bonding
↓
Verwijdering van oorspronkelijk substraat
↓
Voorbereiding van GaN achterkant
↓
Vorming van nucleatie/interface laag
↓
CVD diamantgroei

Dit kan diamant zeer dicht bij het actieve apparaat plaatsen.

Echter, diamant CVD-omstandigheden kunnen agressief zijn.

Het GaN-oppervlak moet worden beschermd tegen:

• Plasma schade
• Waterstof blootstelling
• Hoge temperatuur
• Mechanische spanning

Een geschikte nucleatie- of diëlektrische laag kan daarom vereist zijn.

De uitdaging is dat deze beschermlaag zelf de thermische grensweerstand kan verhogen.

De afweging van de bondinglaag

Een ideale bondinglaag moet bieden:

• Sterke hechting
• Lage thermische weerstand
• Laag RF-verlies
• Minimale dikte
• Hoge thermische stabiliteit
• Lage mechanische spanning

Helaas kunnen deze vereisten conflicteren.

Een dikkere bondinglaag kan de mechanische betrouwbaarheid verbeteren, maar de thermische weerstand verhogen.

Een dunnere laag kan de warmtestroom verbeteren, maar veel betere oppervlaktevoorbereiding vereisen.

Potentiële tussenlaag materialen omvatten:

• Silicium
• AlN
• SiN
• SiO₂
• Andere diëlektrische of amorfe lagen

De tussenlaag moet daarom worden geoptimaliseerd als onderdeel van de volledige apparaatarchitectuur.

Diamant dikte: is dikker altijd beter?

Niet noodzakelijk.

Het verhogen van de diamant dikte kan de laterale warmteverspreiding verbeteren, vooral wanneer de warmtebron sterk gelokaliseerd is.

Echter, de thermische verbetering neemt niet oneindig toe met de dikte.

Zodra de diamantlaag voldoende dik is om warmte effectief te verspreiden, kunnen andere thermische weerstanden dominant worden.

Deze kunnen omvatten:

• GaN laag weerstand
• GaN/Diamant TBR
• Die attach
• Verpakking
• Thermisch interface materiaal
• Koellichaam

Dit betekent dat het verdubbelen van de diamant dikte niet noodzakelijkerwijs de junctietemperatuur van het apparaat met de helft vermindert.

Dunne diamantlagen

Dunne diamant kan bieden:

• Kortere fabricagetijd
• Lagere materiaalkosten
• Gemakkelijkere integratie
• Lagere mechanische spanning

Maar als de film te dun is, kan de laterale warmteverspreiding beperkt zijn.

Dikke diamantlagen

Dikkere diamant kan bieden:

• Verbeterde warmteverspreiding
• Grotere mechanische ondersteuning
• Betere hantering na verwijdering van het substraat

Maar nadelen kunnen zijn:

• Hogere CVD-groeikosten
• Langere verwerkingstijd
• Verhoogde spanning
• Moeilijkere waferverwerking

De optimale dikte moet daarom worden berekend op basis van de warmtefluxdichtheid van het apparaat en de totale thermische architectuur van de verpakking.

Er is geen universele “beste diamant dikte” voor elk GaN RF-apparaat.

Diamantkwaliteit is ook belangrijk

Niet alle diamantfilms bieden dezelfde thermische prestaties.

Thermische geleidbaarheid hangt af van factoren zoals:

• Korrelgrootte
• Korrelgrenzen
• Defecten
• Onzuiverheden
• Filmdikte
• Groeimethode
• Kristalkwaliteit

Enkelkristallijne diamant biedt over het algemeen extreem hoge thermische geleidbaarheid.

Polykristallijne CVD-diamant kan ook uitstekende warmteverspreiding bieden, maar de effectieve thermische geleidbaarheid is sterk afhankelijk van de microstructuur.

Nanokristallijne gebieden nabij de nucleatie-interface kunnen een lagere thermische geleidbaarheid vertonen dan materiaal met grotere korrels verder van de interface.

Om deze reden is het simpelweg specificeren van “CVD-diamant” niet voldoende voor hoogwaardig RF-ontwerp.

GaN-on-Diamond versus GaN-on-SiC

GaN-on-SiC blijft een van de belangrijkste platforms voor hoogvermogen RF-apparaten.

SiC biedt:

• Goede thermische geleidbaarheid
• Gevestigde GaN epitaxie
• Hoge mechanische stabiliteit
• Volwassen RF-productie-ervaring

GaN-on-Diamond streeft ernaar de thermische prestaties verder te verbeteren.

Het belangrijkste potentiële voordeel is sterkere warmteverspreiding nabij het GaN-kanaal.

Echter, GaN-on-Diamond introduceert extra integratiecomplexiteit.

GaN-on-SiC

Voordelen:

• Volwassen technologie
• Gevestigde wafer toeleveringsketen
• Bewezen RF-apparaatverwerking
• Goede thermische prestaties

Uitdagingen:

• Thermische geleidbaarheid lager dan hoogwaardige diamant
• Junctietemperatuur kan nog steeds extreme vermogensdichtheid beperken

GaN-on-Diamond

Voordelen:

• Uitzonderlijk warmteverspreidingspotentieel
• Lagere apparaattemperatuur bij hoge warmteflux
• Potentieel voor verhoogde RF-vermogensdichtheid
• Bijzonder aantrekkelijk voor koeling nabij de junctie

Uitdagingen:

• Bonding complexiteit
• TBR controle
• Kosten van diamantverwerking
• Wafer-schaal integratie
• Thermische spanning
• Opbrengst

GaN-on-Diamond mag daarom niet simpelweg worden gezien als een directe vervanging voor elk GaN-on-SiC apparaat.

De sterkste waarde zal waarschijnlijk verschijnen waar thermische beperkingen de extra integratiecomplexiteit rechtvaardigen.

Waarom junctietemperatuur belangrijk is

Het verlagen van de junctietemperatuur kan verschillende apparaatkenmerken beïnvloeden.

Potentiële voordelen zijn:

• Hoger RF-uitgangsvermogen
• Verbeterde power-added efficiency
• Verminderde prestatiedegradatie
• Verbeterde betrouwbaarheid
• Hogere toelaatbare vermogensdichtheid

Zelfverhitting kan elektrontransport en elektrisch gedrag binnen de GaN HEMT veranderen.

Naarmate de kanaaltemperatuur stijgt, kunnen de apparaatprestaties verslechteren, zelfs voordat catastrofale storing optreedt.

Een beoordeling uit 2026 van met diamant afgedekte GaN HEMTs benadrukt zelfverhitting als een belangrijke beperking bij hoogvermogen RF-werking en identificeert diamantintegratie als een veelbelovende thermische oplossing nabij de junctie.

Diamantkoeling aan de bovenkant

GaN-on-Diamond vereist niet altijd het vervangen van het oorspronkelijke substraat.

Een andere opkomende strategie is het afzetten van diamant boven de GaN HEMT.

De structuur kan lijken op:

Diamant warmteverspreider
↓
Diëlektrische/interface laag
↓
AlGaN barrière
↓
GaN kanaal
↓
Oorspronkelijk substraat

Dit laat warmte ontsnappen van beide zijden van het apparaat.

Onderzoek naar diamantintegratie aan de bovenkant heeft aangetoond dat de diëlektrische tussenlaag zelf significant bijdraagt aan de totale thermische grensweerstand.

Een studie uit 2025 met een polykristallijne diamant warmteverspreider op AlGaN/GaN-on-SiC evalueerde daarom de gecombineerde invloed van de interface en de AlGaN-barrière in plaats van alleen de diamantgeleidbaarheid te beschouwen.

Toekomstige hoogvermogen GaN RF-apparaten zouden potentieel beide kunnen gebruiken:

• Diamant substraat koeling
• Diamant warmteverspreiding aan de bovenkant

Dit creëert een meer driedimensionale thermische beheerarchitectuur.

Uitdagingen bij wafer-schaal productie

Het verplaatsen van GaN-on-Diamond van kleine onderzoekmonsters naar commerciële wafers introduceert extra moeilijkheden.

Oppervlakte vlakheid

Bonding vereist zeer goede wafer vlakheid.

Lokale hoogteverschillen in het oppervlak kunnen leiden tot:

• Holtes
• Zwakke bonding
• Niet-uniforme interface dikte

Oppervlakte ruwheid

Sub-nanometer ruwheid kan vereist zijn voor sommige geavanceerde bonding benaderingen.

De oppervlaktereconstructie studie uit 2026 verminderde de diamant RMS ruwheid tot onder 0,5 nm vóór kamertemperatuur bonding.

Deeltjes

Een enkel deeltje kan contact lokaal voorkomen en een bonding holte creëren.

Deeltjescontrole wordt daarom steeds moeilijker naarmate de waferdiameter toeneemt.

Wafer kromming

GaN, bondingmaterialen en diamant hebben verschillende mechanische en thermische eigenschappen.

Restspanning kan leiden tot:

• Kromming
• Warp
• Scheuren
• Delaminatie

Bonding opbrengst

Een goed laboratoriummonster vertaalt zich niet automatisch naar productie op wafer-schaal.

Commerciële productie vereist consistente bonding over bijna het gehele bruikbare waferoppervlak.

Typische GaN-on-Diamond RF-toepassingen

GaN-on-Diamond is bijzonder aantrekkelijk voor toepassingen met extreem hoge RF-vermogensdichtheid.

Voorbeelden zijn:

Radar

Hoogvermogen radar zenders vereisen RF-versterkers die prestaties kunnen handhaven onder zware thermische belastingen.

Elektronische Oorlogsvoering

Elektronische oorlogsvoeringssystemen vereisen vaak hoge RF-vermogens output gecombineerd met een compacte systeemgrootte.

Satellietcommunicatie

Thermisch beheer is vooral belangrijk in ruimtevaartsystemen waar conventionele koelmethoden beperkt zijn.

Hoogvermogen microgolfsystemen

Diamant warmteverspreiding kan GaN-apparaten toestaan om met een hogere vermogensdichtheid te werken terwijl de junctietemperatuur wordt gecontroleerd.

Toekomstige 5G en 6G infrastructuur

RF-systemen met hogere frequenties kunnen profiteren van geavanceerd thermisch beheer naarmate apparaatafmetingen afnemen en de lokale warmteflux toeneemt.

Wat moeten kopers specificeren voor een GaN-on-Diamond wafer?

Een nuttige RFQ moet veel meer bevatten dan alleen de waferdiameter.

Wafer diameter

Specificeer:

• 2 inch
• 3 inch
• 4 inch
• 6 inch
• Aangepaste maat

Beschikbaarheid kan sterk afhangen van de integratiemethode.

GaN structuur

Specificeer of het vereiste materiaal is:

• GaN laag
• AlGaN/GaN HEMT structuur
• N-polaire GaN
• Ga-polaire GaN
• Aangepaste epi structuur

GaN dikte

Geef:

• Dikte van de apparaatlaag
• Dikte van de buffer
• Totale overgedragen GaN dikte

Diamant type

Specificeer:

• Enkelkristallijne diamant
• Polykristallijne CVD-diamant
• Nanokristallijne diamant
• Diamantfilm op drager

Diamant dikte

Specificeer de vereiste dikte of beoogde thermische prestaties.

Selecteer de dikte niet alleen op basis van de aanname dat dikkere diamant altijd beter is.

Bonding methode

Bespreek of de structuur gebruikt:

• Directe bonding
• Oppervlakte-geactiveerde bonding
• Aangepaste SAB
• CVD diamantgroei
• Andere heterogene integratiemethoden

Tussenlaag

Specificeer:

• Materiaal
• Dikte
• Maximale toelaatbare thermische weerstand

Voor hoogvermogen RF-toepassingen kunnen zelfs interface lagen op nanometer-schaal de totale thermische weg beïnvloeden.

TBR

Waar thermische prestaties cruciaal zijn, moeten kopers overwegen een doel-TBR te definiëren.

De testmethode moet ook worden gespecificeerd.

Veelvoorkomende thermische karakteriseringsmethoden omvatten:

• TDTR
• TTR
• Raman thermometrie
• Thermoreflectie technieken

Oppervlakte kwaliteit

Specificeer:

• RMS ruwheid
• Krasvereisten
• Deeltjesvereisten
• Limieten voor bonding holtes

Geometrie

Belangrijke parameters zijn:

• TTV
• Kromming
• Warp
• Dikte tolerantie

RF-vereisten

Afhankelijk van het project kunnen vereisten ook omvatten:

• RF-invoegverlies
• Diëlektrische eigenschappen
• Frequentiebereik
• Mobiliteit van dragers
• Sheet weerstand

Voorbeeld RFQ Structuur

Een GaN-on-Diamond ontwikkelingsverzoek kan informatie bevatten zoals:

Wafer diameter: 100 mm

GaN structuur: AlGaN/GaN HEMT

GaN dikte: aangepast

Diamant: CVD diamant

Diamant dikte: volgens thermisch ontwerp

Bonding methode: kamertemperatuur directe of oppervlakte-geactiveerde bonding

Bonding tussenlaag: ultradunne Si of AlN-gebaseerde structuur

Interface: lage-TBR vereiste

Oppervlak: apparaatkwaliteit

Geometrie: gecontroleerde TTV, kromming en warp

Toepassing: hoogvermogen RF-versterker

Frequentiebereik: door klant gespecificeerd

Het verstrekken van de doelapparaat toepassing is bijzonder nuttig.

Een GaN-on-Diamond structuur voor een hoogvermogen X-band versterker gebruikt mogelijk niet dezelfde optimale structuur als een ontworpen voor millimeter-golf apparaten.

Thermische simulatie moet voorafgaan aan het definitieve waferontwerp

Omdat de prestaties van GaN-on-Diamond afhankelijk zijn van veel onderling verbonden parameters, is thermische simulatie zeer waardevol voordat de materiaalstructuur wordt vastgelegd.

Een realistische simulatie moet overwegen:

• Gate geometrie
• Afmetingen van de warmtebron
• GaN dikte
• GaN thermische geleidbaarheid
• Interface TBR
• Diamant dikte
• Diamant thermische geleidbaarheid
• Apparaat pitch
• Thermische weerstand van de verpakking
• Temperatuur van het koellichaam

Een veelvoorkomende fout is het simuleren van diamant met alleen de bulk thermische geleidbaarheid, terwijl een perfecte interface wordt aangenomen.

Dit kan de koelprestaties aanzienlijk overschatten.

De GaN/Diamant interface moet expliciet worden opgenomen.

Huidige onderzoeksrichting in 2026

De industrie beweegt zich steeds meer weg van het uitsluitend beschouwen van thermisch beheer als een probleem op verpakkingsniveau.

In juni 2026 beschreef DARPA zijn THREADS-programma als gericht op materialen, apparaatarchitecturen en thermische beheerbenaderingen die warmte efficiënter kunnen verwijderen uit RF-elektronica en hogere vermogensoutput mogelijk maken zonder proportionele toenames in systeemgrootte en complexiteit.

Op materiaalniveau richt recent GaN/Diamant onderzoek zich sterk op:

• Lagere TBR
• Heterogene bonding bij kamertemperatuur
• Ultradunne tussenlagen
• Verbeterde diamant oppervlaktevoorbereiding
• N-polaire GaN integratie
• Lager RF-verlies
• Diamantkoeling aan de bovenkant

Het rapport uit 2026 van ongeveer 7,7 m²·K/GW TBR met een ultradunne Si-bondinglaag is bijzonder relevant omdat het aantoont hoe oppervlakte-engineering en bondingtechnologie het thermische transport direct kunnen verbeteren.

Deze ontwikkelingen suggereren dat de volgende grote verbetering in GaN RF-prestaties niet alleen kan komen van transistor schaling of hogere kwaliteit GaN epitaxie, maar ook van het ontwerpen van het thermische pad direct onder en boven het actieve kanaal.

Conclusie

GaN-on-Diamond wafers bieden een van de meest veelbelovende materiaalplatforms voor het overwinnen van de thermische beperkingen van hoogvermogen RF GaN-apparaten.

Diamant biedt uitzonderlijke thermische geleidbaarheid, maar de diamant thermische geleidbaarheid alleen bepaalt niet de koelprestaties van het apparaat.

Voor een praktische GaN-on-Diamond structuur moeten ingenieurs het volledige thermische pad overwegen:

GaN kanaal
→ GaN laag
→ bonding interface
→ diamant
→ verpakking
→ koellichaam

Van deze elementen is de GaN–diamant thermische grensweerstand bijzonder belangrijk.

Een slecht ontworpen interface kan voorkomen dat het apparaat volledig profiteert van de thermische geleidbaarheid van diamant.

De diamant dikte moet ook worden geoptimaliseerd in plaats van simpelweg gemaximaliseerd. Zodra de diamant voldoende warmteverspreiding biedt, kunnen interface weerstand en verpakking de dominante thermische beperkingen worden.

Voor hoogvermogen RF-projecten omvatten de belangrijkste GaN-on-Diamond specificaties daarom:

• GaN epi structuur
• Diamant type
• Diamant dikte
• Bonding methode
• Materiaal en dikte van de tussenlaag
• Thermische grensweerstand
• Oppervlakte ruwheid
• Bonding holtes
• TTV, kromming en warp
• RF-verlies
• Doel apparaat vermogensdichtheid

Naarmate RF GaN-apparaten verder gaan naar hogere frequenties en vermogensdichtheden, zal heterogene GaN–diamant integratie waarschijnlijk steeds belangrijker worden, waar conventionele substraat- en verpakkingskoelmethoden geen acceptabele junctietemperatuur meer kunnen handhaven.